基于無人機(jī)應(yīng)用的智慧農(nóng)場(chǎng)構(gòu)建探索

張文斌 張龍全 齊寶萍

農(nóng)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到機(jī)械化農(nóng)業(yè)再到精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)的一個(gè)演變過程。智慧農(nóng)業(yè)依靠現(xiàn)代信息技術(shù)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算手段，可對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)化種植管理、自動(dòng)化調(diào)節(jié)、智能化決策。農(nóng)用無人機(jī)、航測(cè)無人機(jī)、多光譜無人機(jī)以及相應(yīng)的管理平臺(tái)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，為以智能農(nóng)機(jī)為代表的無人農(nóng)場(chǎng)插上了智慧的翅膀。

1 無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 無人機(jī)概述

無人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱無人機(jī)（UAV），是利用無線電遙控設(shè)備和程序控制裝置操縱的不載人飛行器。無人機(jī)按外形結(jié)構(gòu)不同可分為固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)2 種類型。固定翼無人機(jī)是將螺旋槳或者噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力作為飛機(jī)向前飛行的動(dòng)力，主要的升力來自機(jī)翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)場(chǎng)地、操作人員等有較高的要求。多旋翼無人機(jī)主要靠多個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力讓無人機(jī)起飛，具有可垂直起降、空中懸停、操作簡(jiǎn)單、對(duì)場(chǎng)地要求低等優(yōu)點(diǎn)，已成為無人機(jī)市場(chǎng)主流產(chǎn)品。

1.2 農(nóng)用無人機(jī)

目前，市面上的無人機(jī)大致可分為消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)2 種類型，應(yīng)用范圍已普及到影視航拍、農(nóng)林漁業(yè)、電力巡檢、地理測(cè)繪等多個(gè)領(lǐng)域。農(nóng)用無人機(jī)是民用領(lǐng)域無人機(jī)的一個(gè)重要組成部分。隨著遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)、地面?zhèn)鞲屑夹g(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，農(nóng)用無人機(jī)逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后各領(lǐng)域。

1.3 無人機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

搭載了各類傳感器和作業(yè)輔助設(shè)備的無人機(jī)可應(yīng)用于農(nóng)田航測(cè)、土壤分析及墑情測(cè)定、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、農(nóng)田作物管理以及農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)勘察等領(lǐng)域。

1.3.1 農(nóng)田航測(cè)

在無人機(jī)上搭載專業(yè)的影像儀器，結(jié)合地面控制點(diǎn)測(cè)量、調(diào)繪和立體測(cè)繪，對(duì)田塊信息、氣候水文信息和農(nóng)作物信息采集、分析，可形成“數(shù)字農(nóng)田”。這是打造智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。

1.3.2 土壤分析及墑情測(cè)定

在無人機(jī)上掛載近紅外光設(shè)備，可大面積、快速地對(duì)農(nóng)田土壤進(jìn)行分析及墑情測(cè)定，打破傳統(tǒng)土壤墑情測(cè)定時(shí)間短、范圍小的局限。在作物種植前，可通過無人機(jī)對(duì)土壤墑情進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，以便于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)前期規(guī)劃；在作物生育期內(nèi)，可通過無人機(jī)實(shí)時(shí)探測(cè)土壤墑情，以便于精準(zhǔn)灌溉。

1.3.3 作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)

在無人機(jī)上搭載高清攝像機(jī)，利用多旋翼無人機(jī)低空飛行、攝像機(jī)可達(dá)到厘米級(jí)空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)拍攝的作物數(shù)碼影像紋理、顏色等空間信息特征進(jìn)行提取分析，可進(jìn)行農(nóng)作物葉面積指數(shù)計(jì)算、不同生長(zhǎng)周期長(zhǎng)勢(shì)評(píng)估、農(nóng)作物識(shí)等研究。例如：大疆公司的精靈Phantom4 RTK 內(nèi)置1 英寸2 000 萬像素CMOS 傳感器，用以捕捉高清影像，集成全新RTK模塊，提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位數(shù)據(jù)，配套的地面站軟件可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)。

1.3.4 農(nóng)田作物管理

將無人機(jī)應(yīng)用于作物田間管理，使其成為“空中拖拉機(jī)”，對(duì)提高生產(chǎn)效率、減少農(nóng)事活動(dòng)對(duì)作物生長(zhǎng)的擾動(dòng)和對(duì)操作人員的傷害具有重要意義。以農(nóng)業(yè)植保機(jī)為例，用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無人機(jī)，能搭載噴灑系統(tǒng)貼著作物冠層作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)超低量精準(zhǔn)施藥。近年來，隨著土地流轉(zhuǎn)的不斷推進(jìn)，農(nóng)用植保無人機(jī)在各地得到了快速發(fā)展，僅“大疆農(nóng)業(yè)”2019 年植保無人機(jī)作業(yè)面積就突破了1 億畝（666.67 萬hm2)。

1.3.5 農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)勘察

對(duì)于農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)勘察來說，最難界定的是損失面積。無人機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)的快速響應(yīng)能力、高分辨率圖像和高精度定位數(shù)據(jù)獲取能力，可高效準(zhǔn)確的開展受災(zāi)定損任務(wù)。

2 基于無人機(jī)應(yīng)用的智慧農(nóng)場(chǎng)構(gòu)建探索

2.1 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)可以理解為數(shù)字農(nóng)業(yè)+精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，是以現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，運(yùn)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、智能技術(shù)以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營進(jìn)行智能化管理，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的種植精準(zhǔn)化、管理可視化、決策智能化。智慧農(nóng)業(yè)主要包括智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、智慧農(nóng)業(yè)管理、智慧農(nóng)業(yè)信息服務(wù)等。

2.2 智慧農(nóng)場(chǎng)

智慧農(nóng)場(chǎng)依靠現(xiàn)代傳感器技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化生產(chǎn)、自動(dòng)化調(diào)節(jié)與精準(zhǔn)化管理。

2.3 基于無人機(jī)應(yīng)用的智慧農(nóng)場(chǎng)構(gòu)建探索

2.3.1 智慧農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)框架

從耕、種、管、收四大環(huán)節(jié)入手，構(gòu)建智慧農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)框架，如圖1 所示。

圖 1 智慧農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)框架

2.3.2 智慧農(nóng)場(chǎng)作業(yè)場(chǎng)景

依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)、RTK 基站、高精度地圖、智能化基礎(chǔ)設(shè)施、農(nóng)用無人機(jī)、智能農(nóng)機(jī)、智慧農(nóng)業(yè)云平臺(tái)構(gòu)建智慧農(nóng)場(chǎng)作業(yè)場(chǎng)景，如圖2 所示。

2.3.3 智慧農(nóng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方式

智慧農(nóng)場(chǎng)三大核心是指農(nóng)場(chǎng)數(shù)字化、農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管和精準(zhǔn)種植管理平臺(tái)。

1）農(nóng)場(chǎng)數(shù)字化平臺(tái)是基于地理信息系統(tǒng)的數(shù)字化平臺(tái)。該平臺(tái)對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)場(chǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行融合管理與分析，并基于地圖、數(shù)據(jù)儀表盤等進(jìn)行農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)總覽，輔助農(nóng)場(chǎng)管理決策以及指導(dǎo)農(nóng)場(chǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作。

2）農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管平臺(tái)是對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備及其作業(yè)情況統(tǒng)一監(jiān)管的平臺(tái)。該平臺(tái)開放數(shù)據(jù)接口，可接入植保無人機(jī)、地面農(nóng)機(jī)等的設(shè)備及作業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備位置、在線狀態(tài)、作業(yè)路徑、作業(yè)參數(shù)等數(shù)據(jù)。

3）精準(zhǔn)種植管理平臺(tái)可在耕種管收全周期各環(huán)節(jié)，對(duì)土地、作物、農(nóng)事進(jìn)行精準(zhǔn)記錄、監(jiān)測(cè)和決策。

智慧農(nóng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方式如圖3 所示。

圖 2 智慧農(nóng)場(chǎng)作業(yè)場(chǎng)景

3 結(jié)語

圖 3 智慧農(nóng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方式

無人機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，為智慧農(nóng)場(chǎng)建設(shè)提供了可能。但無人機(jī)在數(shù)字農(nóng)田構(gòu)建、遙感、田間作物管理等領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于起步階段，不能滿足用戶多樣化需求，還存在機(jī)載傳感器成本較高、續(xù)航和承載能力弱、遙感圖像質(zhì)量不穩(wěn)定、遙感分析數(shù)據(jù)庫響應(yīng)及對(duì)復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境適應(yīng)性差等問題。建議加快小型、低成本機(jī)載傳感器研發(fā)步伐，實(shí)現(xiàn)機(jī)載農(nóng)機(jī)設(shè)備通用化、智能化；提高無人機(jī)續(xù)航能力和承載能力，并將大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域。